張偉

摘 要：物理汽相沉積（Physical Vapor Deposition）工藝在集成電路制造工藝流程中的作用是形成金屬層，作為導(dǎo)電介質(zhì)。它通過磁控濺射的方法在晶圓表面形成一層平整的金屬層。而MIM層作為元器件的電容結(jié)構(gòu)，它的金屬膜厚度最薄，在整個金屬導(dǎo)線層中對金屬缺陷的要求最高。任何微小的缺陷都會導(dǎo)致電容的擊穿電壓發(fā)生異?；虼鎯δ芰κ艿讲涣加绊?。在所有的缺陷類型中存在一種裂紋缺陷，該缺陷發(fā)生機率高達2%。文章通過統(tǒng)計學(xué)方法，找到影響缺陷的主要因素并通過優(yōu)化金屬膜的濺射條件，最終解決裂紋缺陷。

關(guān)鍵詞：MIM結(jié)構(gòu)；裂紋；缺陷；DOE；實驗設(shè)計；主成分分析

中圖分類號：TN4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0101-03

引言

隨著人類社會的不斷發(fā)展與進步，各種各樣的高新技術(shù)應(yīng)運而生，集成電路作為上世紀60年代的新技術(shù)而誕生，并至今造福人類，而且得到了很好地發(fā)展。在當(dāng)今的信息時代，信息技術(shù)已經(jīng)滲透到了國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，人們在日常生活中無處不感受到信息技術(shù)所帶來的方便與快捷。信息技術(shù)的基礎(chǔ)是微電子技術(shù)，而集成電路（IC）正是微電子技術(shù)的核心，是整個信息產(chǎn)業(yè)和信息社會的根本基礎(chǔ)。集成電路在現(xiàn)代生活中擁有不可或缺的地位，它已經(jīng)與我們的日常生活緊緊相連，并越來越多的深入人們的日常生活，大到航空醫(yī)療，小到汽車手機，隨著集成電路的特征尺寸越來越小，對晶圓（wafer）的缺陷要求也越來越嚴格。

物理汽相沉積（Physical Vapor Deposition）工藝在集成電路制造工藝流程中的作用是形成金屬層，作為導(dǎo)電介質(zhì)。它通過磁控濺射的方法在晶圓表面形成一層平整的金屬層。而MIM層作為元器件的電容結(jié)構(gòu)，它的金屬膜厚度最薄，在整個金屬導(dǎo)線層中對金屬缺陷的要求最高，如圖1。任何微小的缺陷都會導(dǎo)致電容的擊穿電壓發(fā)生異常或存儲能力受到不良影響。

1 存在的問題

在所有的缺陷類型中存在一種裂紋缺陷（crack defect），該缺陷發(fā)生機率高達2%，如圖2。

統(tǒng)計學(xué)方法實驗過程：

（1）相關(guān)性分析

通過之前的數(shù)據(jù)顯示，由于發(fā)生裂紋的晶圓，其晶圓可接受性測試（WAT）擊穿電壓（BV）會發(fā)生異常，為了更好的解決問題，我們首先對缺陷數(shù)量（crack count）和電性參數(shù)擊穿電壓（BV）做相關(guān)性分析，分析工具為Excel 2010。

發(fā)生裂紋缺陷的wafer必然會造成電容擊穿電壓BV閾值變小，如圖3。

圖4和表1告訴我們：根據(jù)之前發(fā)生過的缺陷情況，其缺陷數(shù)量和擊穿電壓（BV WAT），二者存在強相關(guān)性，而當(dāng)缺陷減少到一定程度后，BV恢復(fù)為正常水平，同時相關(guān)性變?nèi)酢?/p>

（2）主成分分析法（PCA）

使用主成分分析法（PCA）把所有process過程中出現(xiàn)的參數(shù)進行分類處理，工具為SPSS 2.0。

從旋轉(zhuǎn)成分矩陣圖（圖5）（<0.75的情況被隱藏）中，可以把前5個主成分結(jié)合工程上的經(jīng)驗進行分類。

分別將成分得分FAC1_1～FAC5_1逐列從大到小排序，發(fā)現(xiàn)在FAC3_1這個成分上的投影與BV WAT的情形具有相關(guān)性，如圖6。

（3）實驗設(shè)計（DOE）

選擇FAC3這個主成分中的三個參數(shù)作為響應(yīng)，設(shè)定合理的target和spec，應(yīng)用DOE優(yōu)化該三個響應(yīng)值，如表2。

在recipe body和chamber configure中，可調(diào)參數(shù)多達幾十個。而通過上述分析，最終確定的三個response，影響response的recipe參數(shù)范圍被縮小為以下7個（表3）。

在經(jīng)過篩選實驗和擴充試驗后，使用二階模型進行優(yōu)化試驗。

二階模型公式：

最大化意愿后得到圖7，Ar流量=34.7，N2流量=102.5， 輸入功率=3541，背壓流量=10.2的條件下，3種響應(yīng)的綜合情況最好。最大化意愿值=1>0.75，說明能夠完全滿足三個響應(yīng)的meet target要求，即優(yōu)化后的target值和理論的target值相似度為100%。

（4）驗證實驗結(jié)果

根據(jù)DOE的優(yōu)化結(jié)果修改recipe參數(shù)后，使用工具JMP10 Wilcoxon test對304pcs wafer defect改善效果進行檢驗，如圖8。

Wilcoxon test p<0.05， Baseline和new wafer的defect level與STD存在顯著差異，但new condition的defect數(shù)量和穩(wěn)定性比baseline好。

2 結(jié)束語

（1）通過相關(guān)性分析，找出WAT參數(shù)與defect之間的對應(yīng)關(guān)系，從而把研究對象由defect問題轉(zhuǎn)化為WAT問題。（2）通過主成分分析法對大數(shù)據(jù)進行了分析和分類，找出了潛在影響工藝質(zhì)量的參數(shù)，提高了分析工作的效率，為下一步的優(yōu)化實驗提供的方向。（3）通過實驗設(shè)計的方法，對多因子進行分析并找到最佳工藝質(zhì)量的參數(shù)條件。在應(yīng)用最佳條件后，通過假設(shè)檢驗的方法驗證了改善后的WAT和defect遠遠優(yōu)于原來的水平（baseline）。

參考文獻：

[1]Peter Van Zant， Microchip Fabrication， page 397-398.

[2]張汝京，等.納米集成電路制造工藝[Z].350-361.

[3]林肇琦，等.有色金屬材料學(xué)[Z].19-23.

[4]閔亞能.實驗設(shè)計（DOE）應(yīng)用指南[Z].56-69.endprint